基于FPGA的高精度電流實時監測系統設計

楊鷗寧 ，岳鳳英 ，岳 妮

（1.中北大學 計算機與控制學院，太原 030051；2.內蒙古蒙東能源鄂溫克電廠，呼倫貝爾 021000）

電流檢測技術是檢測技術科學的一個重要分支，它在工程領域、科學實驗、產品開發、質量控制等方面有著廣泛的應用，在現代工業生產及科學研究中的地位日益突出。在對傳感器批量測試過程中，需要對每個傳感器都單獨供電，并測量其工作電流及輸出信號，這是建立在大量儀器儀表配合測量基礎上才能夠實現的，可以想象，測試現場的繁雜冗余給測試人員帶來了極大不便。因此，本文設計出了一種基于MAX9918的高精度傳感器電流實時監測系統。系統的可靠性已通過大量實驗驗證，并已在實際的應用中發揮了重要作用。

1 系統總體設計

該系統采用籠屜式結構設計，分為傳感器參數采集卡、采編控制傳輸卡、電源卡。主要完成對傳感器+15 V與-15 V各18路供電電流以及18路傳感器輸出信號的采集，并對傳感器狀態數據實時編碼。它主要包括電流監測接口電路、采集電路、中心邏輯控制電路及上位機接口電路等。系統結構框圖如圖1所示。傳感器工作電流為緩變信號，傳感器輸出信號為速變信號，為了有效精確地監測各種信號，由FPGA內部邏輯實現3個16∶1高速模擬開關不同輸出通道的選通頻率。對±15 V電流信號，通過測流轉換電路將電流信號轉換放大為電壓信號后，與18路傳感器信號一同經過信號調理電路，由高速模擬開關切換到需要采樣的通道后，送入AD轉換器進行AD轉換。然后按照固定幀結構編幀依次循環放入在FPGA內部開辟好的ping/pong緩存，由PCI接口上傳至上位機，上位機配套軟件實時顯示各路電流和信號量。

圖1 系統結構Fig.1 System structure diagram

2 測流轉換模塊設計

電流檢測一般有2種實現方法：一種是互感檢測法，一般用在高電壓交流場合；另一種是電阻檢測法，一般用在低壓小電流場合[1]。串聯電阻法是精度最高的一種檢測方法[2]，根據電阻的位置又分為高邊電流檢測和低邊電流檢測2種。將電阻串聯在負載回路中，利用電流流過電阻產生的電壓計算出電流值。對于工作在±15 V下的傳感器來說，工作電流只有0～80 mA，采用第二種方法完全能滿足測量對象要求。測流轉換電路將±15 V供電電流轉換為可測范圍內的電壓信號。由于低邊電流檢測可能影響負載基準，且不能檢測短路電流。系統采用在電流回路中串聯一個小測流電阻的高邊電流檢測方法。高邊電流檢測將測流電阻放置在電源與負載之間，不僅消除了低邊檢測中出現的地線干擾，而且能夠監測供電電源與系統地的短路故障。

2.1 測流轉換電路設計

測流轉換電路設計中采用MAXIM公司的MAX9918，該芯片是單電源、高精度檢流放大器，共模輸入電壓范圍為-20 V～+75 V，完全滿足傳感器±15 V工作電壓范圍，+15 V、-15 V測流轉換電路分別如圖2、圖3所示。

圖2 +15 V測流轉換電路Fig.2 +15 V converter circuit diagram

圖3 -15 V測流轉換電路Fig.3 -15 V converter circuit diagram

測流電阻R268串聯在電源與負載之間，MAX9918通過外部電阻分壓網絡調節增益，增益由式（1）[3]得出。當MAX9918工作在正向電壓范圍時，需要將REFIN引腳接地，輸入電壓VSENSE與輸出電壓VOUT成線性關系，如式（2）所示。若工作在雙向電壓范圍則需要將REFIN引腳外接參考電壓。此時輸入電壓與VOUT-VREFIN成線性關系，如式（3）所示。

系統增益調節電阻分別選用89 k和1 k，增益G=90。前端測流電阻RSENSE選用500 mΩ，MAX9918滿量程輸入電壓范圍為0～50 mV，所以檢測電流范圍為0～100 mA，輸出電壓VOUT范圍為0～4.5 V。對于-15V共模電壓，滿量程電壓輸入范圍為-25mV～25 mV，檢測電流范圍為-50 mA～50 mA，VOUT-VREFIN范圍為-2.25 V～2.25 V，輸出電壓VOUT范圍為0.25 V～4.25 V，經過分壓網絡后完全滿足AD轉換器輸入電壓范圍。

2.2 測流轉換電路優化設計

為提高監測電流的精度，高邊電流檢測電路應有低的輸入偏置電流，使輸入偏置電流為被檢測電流的1%或更小，還要求其具有低的失調電壓和高的共模抑制比。同時測流電阻RSENSE的選擇對電流檢測精度有很大影響，測流電阻不僅需要精度高，而且還應綜合以下因素選?。?/p>

1）大的測流電阻對小電流更敏感，因為大測流電阻會產生更大的VSENSE，測流電阻上的電壓VSENSE越大，運放的失調電壓和輸入偏置電流的影響就相對越小。

2）大的測流電阻會引起電源電壓以IR的數值降低。另外，大的測流電阻VSENSE和較大的電流會引起功耗I2R增大，因此，測流電阻應盡量具有低的溫度系數。

3）如果被測電流ISENSE中包含大量的高頻成分，那么應該選用電感量很小的測流電阻，可以選擇電感小的金屬膜電阻。

4）應該使MAX9918盡量工作在接近線性關系最好的50 mV的滿量程區，這需要根據系統實際被測電流ISENSE選擇合適的測流電阻VSENSE來滿足。

綜合以上考慮，該系統選用精度為1%、溫度系數低至10 ppm、阻值為500 mΩ的金屬膜電阻器來提高檢流精度。在室溫25℃，+15 V共模電壓下，對該系統測流轉換電路通過改變不同負載值測量取平均值得出各種參數數據如表1所示。由表1可知，測流轉換電路滿足90倍增益輸出，在接近滿量程測量范圍時線性度更高。在長時間連續測量并未出現因功耗大引起測流電阻溫度漂移現象。相同試驗條件下，經測量，系統工作在-15 V共模電壓環境下試驗數據與此吻合。

表1 +15 V共模電壓下測流轉換試驗數據Tab.1 Test data of the+15 V common mode voltage

3 采集模塊設計

系統的數據轉換采集模塊如圖4所示，FPGA通過地址線A3～A0選通控制模擬開關ADG706切換，通過位選信號byte和轉換信號convst控制AD7 621進行數據轉換輸出。

圖4 數據轉換采集模塊Fig.4 Block diagram of data conversion

3.1 AD采樣電路設計

AD轉換器選用AD7621，AD7621分辨率為16位，分為 Warp、Normal、Impulse 3 種工作方式，采樣率分別高達 3 Mb/s、2 Mb/s、1.25 Mb/s；輸入電壓范圍為0～2.048 V，因此要對輸入信號進行分壓，分壓網絡如圖5所示。

圖5 AD分壓網絡Fig.5 AD Partial pressure network graph

電壓跟隨模塊選用AD8031，由于運放具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，所以能夠起到隔離和緩沖的作用[4]。使用ISim Simulator軟件對AD轉換模塊進行仿真，仿真波形如圖6所示。

圖6 AD轉換器控制信號仿真波形Fig.6 AD converter control signal simulation waveform

impl信號和warp信號低電平用來配置AD7621工作在Warp模式。convst低電平時開始轉換，最小轉換時間為15 ns～70 ns，該系統convst信號低電平時間為360 ns，byte信號控制高低8位數據輸出。由仿真圖看出，AD模塊完全滿足工作時序要求。

3.2 高精度采樣算法的實現

在硬件電路合理設計的前提下，為了提高電流監測的精度，需要有效提高系統采集精度，為此系統采用過采樣平均算法。這一技術只在ADC噪聲近似為白噪聲的情況下有效，采集裝置的噪聲近似接近白噪聲。每增加一位分辨率或每減小6 dB的噪聲，需要以4倍的采樣頻率進行過采樣[5]。為了盡可能好地重現信號，系統采用過采樣32倍算法，并將過采樣數據平均，相當于ADC測量數據通過了低通濾波器，減弱了信號的波動噪聲，改善信噪比，明顯提高了采集精度。為驗證采樣32倍算法對采集精度的影響，對第一路通道施加90 mA的ISENSE電流，對應VOUT為4.05 V（采樣分層值為52428）進行采集，將原始數據用MATLAB描點繪制，結果如圖7所示。橫軸為采集點數量，縱軸為采集電壓分層值，上層波形為不采用任何算法的原始數據繪制的波形，電壓分層范圍值為200（52320～52520），下層波形為采用32倍過采樣算法求平均的數據繪制的波形，電壓分層范圍值為 10（52422～52432）。對比發現，采集裝置采用過采樣32倍算法，并將過采樣數據平均，明顯提高了采集精度。

圖7 過采樣算法波形Fig.7 Over sampling algorithm

4 系統功能測試

在室溫25℃環境下，對±15 V供電的18個傳感器進行實時監測，監測精度高達1‰。上位機軟件實時監測數據如圖8所示。

圖8 上位機實時監測數據Fig.8 PC real-time monitoring data

5 結語

本文介紹了一種基于FPGA的高精度電流實時監測系統。系統穩定可靠、實時性強、體積小、功耗低。通用性高，可監測量程范圍為0～100 mA的多種傳感器設備；擴展性強，可以分別通過修改測流轉換電路和采集通道數量擴展為多量程、更多路的實時監測系統。

[1]江力，吳曉波，嚴曉浪.寬輸入共模電壓范圍電流檢測放大器的研究與設計[J].半導體學報，2007，28（8）：1289-1294.

[2]張繼東.一種全新的直流電流檢測方式[J].儀表技術與傳感器，2010（9）：81-83.

[3]MAX9918-MAX9920[EB/OL].http：//www.maxim-ic.com，2011.

[4]孟青，蘇承啟，任勇峰，等.基于AD8031多通道采編器的設計與實現[J].計算機測量與控制，2012，20（11）：3057-3059.

[5]李國.基于過采樣技術提高ADC分辨率的研究與實現[J].計算機工程，2005，31（S1）：244-248.